HAMSatTracker: Parte 1 (Diseño y mecánica)

El objetivo principal del diseño era hacerlo compacto, con el menor número de piezas necesarias para no gastar mucho tiempo en la impresión, a la vez que se ahorra en filamento. 

El programa utilizado ha sido FreeCAD Link branch , es una variante realizada por Realthunder que ofrece mejoras significativas y arregla el problema de la topología de nombres en la rama oficial (en concreto se ha usado la versión 2022.01.11 estable). Además incluye el módulo de ensamblado Assembly3.

Dentro del repositorio se encuentran carpetas con las diferentes partes: caja general de la electrónica, caja para la pequeña placa de mosfets, antena, placa de circuito impreso (PCB), toda la estructura (parte mecánica) que permite mover la antena y archivo de ensamblado de todas las piezas.

Dentro de cada carpeta se pueden encontrar subcarpetas con diferentes tipos de archivos, su descripción es la siguiente:

• Carpeta raíz: suele tener archivos con extensión FCStd, que son los pertenecientes a FreeCAD y contienen las piezas modeladas en 3D.
• Capeta stl: contiene los archivos stl con objetos 3D importados de otros, como tornillos, tuercas, etc...
• Carpeta step: contiene los archivos step importados de terceros, como rodamientos, motores, etc...
• Carpeta amf: contiene los archivos amf, que son cada una de las piezas que se necesitan imprimir para montar el proyecto.
• Carpeta 3mf: contiene los archivos 3mf, que incluyen información adicional para su impresión.

Con respecto a este último punto, los archivos 3mf se han exportado con Prusa Slicer, que es el programa utilizado para la impresión. Y dado que cada pieza tiene diferentes opciones de impresión: unas tienen más paredes para darles más fuerza, otras tienen diferentes patrones de relleno y cantidades de relleno diferentes, otras se imprimen a más baja velocidad por los detalles en su primera capa (como son los engranajes), así como algunas tienen una altura de capa mayor o menor según el detalle de la pieza. Por lo tanto es un engorro especificar los parámetros de impresión de cada una de las piezas. Por ese motivo he optado por el formato 3mf, que no solo tiene la información de la pieza 3D (como es el caso del amf), sino que también todos los parámetros de impresión utilizados en cada una de ellas, de forma que si alguien quiere imprimirla, solo tiene que instalar el programa y configurar su impresora en él. Al abrir cada archivo 3mf aparecerá la pieza en cuestión con todos los parámetros que he utilizado para imprimirlas correctamente (en una impresora cartesiana).

A lo anterior hay que sumar que cada archivo suele incluir una hoja de cálculo dentro de FreeCAD con ciertas dimensiones parametrizadas, de modo que sea muy sencillo cambiar ciertas medidas base de la pieza, así como sus tolerancias.

Cada pieza se ha modelado con unas dimensiones fijas y las tolerancias en la hoja de cálculo. Por defecto son las utilizadas por mi impresora (0.15 mm), pero se incluye un archivo de pruebas (clearance_test_015.amf), con el cual se puede probar el encaje de rodamientos y ciertas piezas hasta encontrar las correctas, utilizando los valores de tolerancia obtenidos en las demás piezas.

FreeCAD

A continuación unas capturas del desarrollo 3D en FreeCAD:

Modelo terminado (Assembly 3)

Lateral derecho

Detalle del cilindro para la rotación de la antena

Sketch en 2D durante el diseño de una pieza

El ensamblado se ha realizado en tres módulos distintos a fin de probar cual es el más adecuado. Assembly 4 (realizado por otro autor y utiliza un enfoque diferente), Assembly 3 (realizado por el mismo que la rama Link de FreeCAD) y A2Plus. 

• Assembly4 carece de ciertas opciones y restricciones, pero es fácil de usar.
  
• A2Plus es el más intuitivo de todos y bastante utilizado por la comunidad.
• Assembly3 es el menos intuitivo y tiene muchas opciones y restricciones diferentes, haciéndolo el más difícil de abordar a primeras.
  

Aunque ha sido este último el elegido al final, dado que es el único que me ha permitido hacer cambios en la piezas una vez hecho el ensamblaje, y con pequeñas modificaciones o arreglo en las restricciones, seguir trabajando de forma iterativa.

En los demás era necesario volver a importar la pieza modificada y se rompían todas las restricciones obligando a gastar un tiempo considerable en rehacerlas, incluso llegando ha tener que empezar de nuevo si la pieza era la base del ensamblado.

Lo mismo ocurre con el módulo Explode, que permite animar el ensamblaje y ver como se montan los componentes. Hay que tenerlo todo terminado antes de realizar las animaciones, consume bastante tiempo y al cambiar alguna pieza en el futuro obliga a rehacerlo. Aunque he dejado de A2Plus y Explode un archivo (Main_Assembly_A2Plus_Explode.FCStd) con el ensamblaje de prueba. El definitivo en Assembly3 es assembly.FCStd.

Detalle de ensamblado (Explode) Nº 1

Detalle de ensamblado (Explode) Nº 2

Detalle de ensamblado (Explode) Nº3

Detalle de ensamblado (Explode) Nº4

Impresión 3D

Más fotos, esta vez de las piezas ya impresas en PETG:

Engranajes y cilindro para la antena

Engranaje nuevo (izquierda) y antiguo (derecha) para eje de azimut

Se cambió los engranajes para el eje de azimut y así conseguir un ratio 2,5:1. Los pertenecientes al eje de elevación mostrados más arriba tienen un ratio 4:1, a fin de incrementar el torque.

Piezas descartadas (arriba y engranaje central)

En la foto de arriba se pueden ver las piezas descartadas, ya que la base y abrazadera se hicieron más gruesas, así como se alargó la base del cilindro para situar el motor de rotación más hacia atrás y hacer mejor contrapeso.

El engranaje central es el que se fija a un pié fotográfico, ya que tiene la misma forma que las zapatas para cámara. Aunque se modifica más tarde por el de la derecha para alcanzar el nuevo ratio debido a la falta de fuerza de los motores (reciclados de una impresora 3D anterior).

Base con los engranajes para azimut ya montados

Motor y base para el cilindro de rotación para la antena

Parte para la elevación montada (nueva base para el cilindro de rotación)

Eje, espaciadores y piezas para el perfil de aluminio

Rodamientos colocados

Detalle de montaje en trípode de fotografía

Montaje terminado

Electrónica montada y nuevo motor para elevación

Detalle de la electrónica

Vista frontal del driver para el motor de elevación

El conversor DC/DC que sobresale de la caja impresa es visible por un error en el diseño de la placa versión 1.0, en el repositorio está la versión 1.1 con este y otras pequeña correcciones en la serigrafía arreglados.

La caja impresa debajo del conversor alberga una pequeña placa con tres mosfets, que se encargan de dar señal de 5V al driver externo para los pulsos, dirección y encendido.

Detalle de la PCB con los mosfets

Probando distintos drivers para los motores

Los drivers probados son unos Pololu A4988 y unos TMC2100, clones de una antigua impresora 3D, así como los motores. Al final se han utilizado los últimos a 24V por ser mucho más silenciosos. En configuración de 3200 pasos por vuelta ya que vienen fijos en la PCB y no se pueden cambiar. 

Para el eje de elevación se sustituye el motor por uno de más torque y un driver externo para soportar la potencia requerida.

• Azimut y rotación: 2 motores provenientes de una impresora 3D. De 1.8 grados por pulso, 3.3V, corriente de 1.5A y torque de 400 mN.m.
• Elevación: motor nuevo de 1.8 grados por pulso, resistencia de 1.6 ohm, corriente de 2.1A y torque de 650 mN.m.

El driver para este motor es un DM542T configurado a 1.36A RMS y 1.92A de pico, corriente completa y 800 pasos por vuelta. Mientras que para los motores de azimut y rotación la corriente está configurada para 700 mA, ya que de lo contrario se calientan mucho.

Todos los ficheros de diseño 3D se encuentran disponibles en el repositorio.